Energieoptimierte urbane Räume der Zukunft

Konzeptschnitt der energieoptimierten und klimagerechten Stadt: Viele verschiedene Faktoren, wie die Nutzung von Solarenergie sowie von Server- und Produktionsabwärme, beeinflussen die Energiebilanz der Stadt positiv
Abb.: Transsolar

Architektur und Städtebau folgten nach dem Wiederaufbau lange Zeit der Annahme, dass Energie unbegrenzt und kostengünstig zur Verfügung stehe. Der Bericht des Club of Rome über die Grenzen des Wachstums stellte dies 1972 erstmals vor einer großen Öffentlichkeit infrage und mit der Rio-Konferenz 1992 verständigte sich die Weltgemeinschaft darauf, das Prinzip der nachhaltigen Entwicklung als Leitbild zu verfolgen. Seitdem mangelt es weniger an weiteren Abkommen und Agenden als an einer durchschlagenden Umsetzung derselben.

Nun ist die Klimakatastrophe da. 83 % der Treibhausgasemissionen Deutschlands sind energiebedingt [1], entsprechend ist Energie ein Schlüssel für die Einhaltung des 1,5 °C Ziels. Für die Bereiche Stadtentwicklung, Planen und Bauen bedeutet dies insbesondere eine Aufarbeitung der Fehlannahmen vergangener Jahrzehnte. Denn auf mindestens drei Ebenen wirkt sich die Behauptung, fossile Energie sei unbegrenzt und billig verfügbar, bis heute auf unsere Städte aus: Erstens wurde die fossile Energieversorgung direkt um leistungsstarke Kraftwerke herum ge-plant, was den Ausbau der dezentralen erneuerbaren Energien nicht nur vor die Herausforderung stellt, neue Technologien zu installieren, sondern auch den Aufbau der notwendigen Versorgungsnetze erfordert. Zweitens ist die starke Priorisierung des kraftstoffbetriebenen Automobils im öffentlichen Raum wider jegliche Vernunft bis heute mental, räumlich und strukturell tief in unseren Städten verankert. Die Beharrungskräfte sind enorm. Und drittens zeichnen sich Gebäude, die unter den o. g. Voraussetzungen seit dem Wiederaufbau in der Nachkriegszeit bis zu den Ölpreiskrisen in den 1970er-Jahren gebaut wurden, durch einen höheren Gebäudeenergieverbrauch aus als beispielsweise Gebäude aus der Gründerzeit [2]. Der größte Anteil des heutigen Wohnungsbestands in Deutschland wurde in diesem Zeitraum realisiert [3] und prägt entsprechend die gebaute Umwelt. Kurzum: Auf diesen drei Ebenen wurde es in der Vergangenheit versäumt, die Energiefrage ganzheitlich zu betrachten. Im Folgenden wollen wir Ansätze diskutieren, wie sich insbesondere die Bereiche Stadtentwicklung, Planen und Bauen zu dieser Herausforderung verhalten können.

83 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland sind energiebedingt
Abb.: Transsolar, Daten: Umweltbundesamt 2022

Ebenen der klimaneutralen und energieoptimierten Stadt

Die genannten Ebenen – der Energie-, der Verkehrs- und der Gebäudesektor – verantworten insgesamt weit über die Hälfte der deutschen Treibhausgasemissionen [4]. Das heißt gleichzeitig, dass es auf dem notwendigen Weg zu einer klimaneutralen Gesellschaft hier ein hohes Potenzial für Einsparungen sowie vernetzte und erneuerbare Energiesysteme gibt. Zunächst sei ­jedoch die hohe Komplexität des Problems umrissen: Die Stadt von alten Pfadabhängigkeiten zu lösen und gleichzeitig die Energie-, Verkehrs- und Bauwende anzuschieben ist das Eine. Hinzu kommt jedoch, dass der Zeitdruck hoch ist und letztlich nichts Geringeres als eine räumliche Reorganisation unserer Städte voraussetzt, denn die Transformation in den verschiedenen Sektoren braucht Platz, während sie gleichzeitig neue Räume generiert. Aber: Gerade in der Stadt kann es gelingen, integrierte Lösungen zu erarbeiten und eine sektorübergreifende Zusammenarbeit voranzutreiben.

Drei Schritte zum Ziel

Wie kann Energie in urbanen Räumen also verantwortungsvoller genutzt und bereitgestellt werden? Was sind Wege zur Energieoptimierung urbaner Räume und wie gestalten sich diese? Um sich diesen Fragen zu nähern, hilft ein einfacher Ansatz, der bei Transsolar in vielen Projekten und auf vielen Ebenen zum Tragen kommt. Er folgt den drei Schritten: Energieeinsparung, Effizienzsteigerung durch Vernetzung sowie Erzeugung erneuerbarer Energien. Die Reihenfolge ist hier entscheidend: Da die Energiedichte der Erneuerbaren geringer ist als von anderen Energieerzeugern und die Verfügbarkeit Schwankungen unterliegt, müssen wir damit besser haushalten – das heißt zunächst, unseren Verbrauch durch passive Maßnahmen zu reduzieren. Durch die Vernetzung von Systemen können dann Potenziale und Bedarfe intelligent verbunden und damit die Effizienz der Energiesysteme gesteigert werden. Die nach diesen beiden Schritten noch benötigte Energie muss am Ende ausschließlich regenerativ gewonnen werden. Was der Dreiklang Einsparung – Vernetzung – Erneuerbare konkret in der Anwendung auf die oben genannten Sektoren Energiewirtschaft, Verkehr und Bauwirtschaft bedeutet, kann mit einigen beispielhaften Maßnahmen deutlich gemacht werden.

Um sich der Frage zu nähern, wie urbane Räume energieoptimiert gestaltet werden können, sind drei Schritte notwendig: Energieverbrauch reduzieren, Energiequellen und -verbraucher vernetzen, erneuerbare Energien ausbauen
Abb.: Transsolar

Drei Schritte in der Energiewirtschaft

Die vielseitigen Möglichkeiten des Energiesparens haben sich mit der Energiekrise bis in die Sozialen Medien verbreitet und sind bekannt. Eine witterungsbereinigte Analyse der Verbrauchsdaten der Bundesnetzagentur durch die ZEIT zeigt den Effekt der Sparmaßnahmen. Zwischen Anfang September und Mitte Oktober 2022 fiel der Gasverbrauch deutscher Haushalte um 20–30 % geringer aus als in den Vorjahren [5]. Auch wenn diese Zahlen mit viel Unsicherheit verbunden sind, decken sie sich mit Erfahrungswerten in der täglichen Praxis bei Transsolar. Der schnelle Trend zeigt das Potenzial von kurzfristig umsetzbaren Maßnahmen, die keine bzw. nur minimal-invasive Eingriffe ins Gebäude (z. B. Fenster und Türen abdichten) erfordern. Umfassender wird es bei der Frage der energetischen Sanierung. Vor der drängenden Zeitfrage müssen hier Strategien zur Skalierbarkeit entwickelt werden mit dem Fokus auf die oben genannten Bauten der 1950er- bis 1970er-Jahre.

Der zweite Schritt, die Vernetzung, verknüpft darüber hinaus verschiedene Sektoren. Während beim Wohnen viel Wärme benötigt wird, müssen auf der anderen Seite Industriebetriebe oder Serveranlagen ihre Wärme „loswerden”. Um diese wertvolle, bis jetzt kaum genutzte Abwärme zu nutzen, müssen warme oder auch kalte Nahwärmenetze in die bestehende Infrastruktur gebaut werden. Zusätzlich muss eine langfristige Kooperation zwischen Unternehmen und Kommunen eingegangen werden, um eine sichere Wärmebereitstellung zu gewährleisten.

Beim dritten Schritt, den erneuerbaren Energien, gibt es kurz- und langfristige Lösungen. Um den Strombedarf zu decken, müssen schnell flächendeckend Photovoltaik und Windkraftanlagen installiert werden. Die Komplexität beginnt mit der Wärme. Sie ist, wenn sie nicht in Form von Gas und Öl bereitgestellt wird, schwer zu transportieren und muss daher möglichst lokal erzeugt werden. Wärmepumpen allein sind hier nicht die ­Lösung. Wo hohe natürliche Potenziale, wie Geothermie und Grundwasser, oder die schon genannten Abwärmepotenziale vorhanden sind, macht eine räumliche Verdichtung Sinn. Umgekehrt kann eine gezielte Nutzungsmischung hilfreich sein, um entsprechende Potenziale dort zu schaffen, wo sie fehlen.

Drei Schritte in der Verkehrsplanung

Auch bei der Verkehrswende ist Energie das Schlüsselthema. Der motorisierte Individualverkehr ist eine der energieintensivsten Arten der Fortbewegung. Eine Elektrifizierung aller Verbrennungsmotoren verschiebt lediglich das Problem von einem System auf das andere. Fragen der Strombereitstellung, Netzdienlichkeit, Ressourcen und Raumverbrauch bleiben offen. Einsparen bedeutet also letztlich, den Modal Shift hin zum deutlich effektiveren Umweltverbund zu vollziehen. Gleichzeitig sind Homeoffice-Regelungen und das Verlegen von Firmenreisen auf Videokonferenzen effektive Einsparmaßnahmen, die wie das Stromsparen sofort umgesetzt werden können und seit der Corona-Pandemie auch maßgeblich an Akzeptanz gewonnen haben.

Im Verkehrssektor ist eine gute Vernetzung grundlegend, um energieeffizient Menschen und Güter von A nach B zu bringen. Ein starkes Schienennetz, eine hohe Taktung im ÖPNV, der ­flächendeckende Ausbau einer Fahrradinfrastruktur und entsprechend erweiterte Sharing-Angebote schaffen die Infrastruktur und damit die Unabhängigkeit vom Automobil sowohl in Zentren als auch in ländlichen Räumen. Ein all diese Modi verbindendes Bezahlsystem, wie es in Berlin beispielsweise mit der BVG-App „Jelbi” bereits etabliert wurde, ermöglicht dabei eine Alltagstauglichkeit. Eine intelligente Logistik durch die Optimierung von Routen oder direkt der Ansiedlung von entsprechenden Betrieben entlang schienengebundener Infrastrukturen sind weitere wichtige, raumgestaltende Dimensionen.

Erneuerbare Energieversorgung von auf den Bedarf abgestimmten Bussen und Gütertransport erfolgt durch Elektrifizierung. Insbesondere innerstädtisches Mobilitätsaufkommen wie Paketlieferanten, Müllabfuhr und Handwerksfahrzeuge können elektrifiziert und bei entsprechender Infrastruktur effizient geladen werden.

Drei Schritte beim Bauen

Der Gebäudesektor ist, wie unter anderem der aktuelle Baukulturbericht festhält, für etwa 40 % der energiebedingten Treibhausgasemissionen in Deutschland verantwortlich. Dahinter verbergen sich alle Emissionen, die auf das Bauen zurückzuführen sind, also Emissionen durch die eingesetzte Energie bei der Rohstoffgewinnung und Produktion von Baustoffen, auf Baustellen und durch Abriss sowie durch den Wärme- und Strombedarf während der Nutzung. Einsparen bedeutet, den aktuellen Trend zu mehr Wohnraum pro Person, der gebaut und beheizt werden muss, umzukehren. Von der WG über das Generationenwohnen bis zum Space Sharing gibt es viele Modelle, mit dem bestehenden Wohnraum zu haushalten. Eine Transformation des Gebäudebestands für unsere aktuellen und zukünftigen Bedürfnisse ist ein weiterer Schlüssel, Material und Ressourcen zu sparen. Etwa stehen dem fehlenden Wohnraum Flächenpotenziale aufgrund des Struktur- und Arbeitswandels im Gewerbe und Dienstleistungssektor gegenüber. Oder, wie beispielhaft der „Gröninger Hof” in Hamburg zeigt, kann auch ein Parkhaus aus den 1960er-Jahren in Wohnraum transformiert werden. Ein kleines Gedankenspiel zeigt hier die Potenziale: Laut dem Bundesverband Parken werden in Deutschland 1,32 Mio. Stellplätze bewirtschaftet. Das entspricht einer Fläche von über 16 Mio. m², eine theoretische Nutzfläche für rund 200 000 Wohnungen mit jeweils 80 m² – meist in zentraler Lage, allerdings teilweise unterirdisch.

Auch im Bausektor ist die Vernetzung entscheidend. Um den Umbau zu ermöglichen, benötigt es Datenbanken und neue Infrastrukturen, die Baumaterialien und -komponenten aus dem Bestand in einen Kreislauf für eine neue Verwendung überführen; aber auch Vermittlung, um Menschen für neue Formen des Zusammenlebens über die klassische Wohngemeinschaft hinaus zu vernetzen. Wie bei der Energieversorgung müssen die Baumaterialien, die benötigt werden und nicht durch vorhandenen Bestand entnommen werden können, regenerativ sein. Das Bauen mit Holz, Lehm und weiteren natürlichen Baustoffen verändert auch die Möglichkeiten des Bauens. Beispielsweise stecken bis zu 50 % der grauen Energie eines Gebäudes in Stahlbeton-intensiven Fundamenten und unterirdischen Bauten; ein weiterer Grund, auf Tiefgaragen zu verzichten und Mobilitätslösungen im Hochbau mitzudenken. So kann die Stadt sogar zu einer CO₂-Senke werden, wie es etwa das „Bauhaus der Erde“ vorschlägt.

Bilanzierung der Treibhausgasemissio­nen in Deutschland nach dem Deutschen Klimaschutzgesetz: Die Emissio­nen sind dem Sektor zugeordnet, der sie direkt emittiert. Im Gebäudesektor werden also z. B. Gas und Ölheizungen berücksichtigt, die Bereitstellung von Strom und Fernwärme wird jedoch dem Energiesektor zugeordnet
Abb.: Transsolar

Energie als Gestaltungswerkzeug nutzen

Energie spielte aufgrund der fossilen Möglichkeiten in den vergangenen 70 Jahren keine relevante Rolle in der Stadtplanung. Jetzt muss sie sich möglichst schnell als neuer „Layer” in all ihren Formen in die Stadtstruktur eingliedern. Als grundlegendes Gestaltungswerkzeug verstanden, müssen alle Entscheidungen der Stadtentwicklung auf das Energiethema hin überprüft werden. Die drei Schritte Einsparen – Vernetzen – Erneuerbare bedingen einander und müssen in Zusammenhängen gedacht werden. Ein Schlüssel ist etwa die Gestaltung attraktiver Dichten. So werden Flächen und Ressourcen gespart, eine gute Fußläufigkeit zur Verringerung des Verkehrsaufkommens, eine effektive Vernetzung hinsichtlich des ÖPNV sowie effektivere Energiesysteme ermöglicht. Diese Dichten müssen sich sowohl aus dem Gebäudebestand heraus entwickeln als auch aus Energiepotenzialen und bestehenden Infrastrukturen, wie dem Schienennetz. Eine Stärkung von wohnungsnahen, kleineren und mittleren Zentren mit hochwertigen Freiräumen erzielt die Attraktivität der Dichte. Parallel ergibt sich eine wichtige Verknüpfung zur klimaangepassten Stadt, um trotz zunehmender Hitze angenehm temperierten, öffentlichen Raum zu schaffen. Die europäische Stadt ist kulturhistorisch ohne die Verfügbarkeit fossiler Energieträger entstanden. Entsprechend ist die Neue Leipzig Charta ein gutes Vorbild zur Raumentwicklung.

Ein Leitbild zur Integration des Energie-Layers in die bestehende Stadtstruktur in Co-Abhängigkeit weiterer Transformationsschwerpunkte, wie der Klimawandelanpassung, ist eine zentrale Aufgabe, die mit einem integrierten Stadt-entwicklungskonzept beantwortet werden kann. Mit der Umsetzung der oben genannten Maßnahmen ergeben sich zahlreiche räumliche Fragestellungen, wie: In welchen urbanen Räumen liegen Schwerpunkte zur Transformation? Wo bestehen Abwärmepotenziale und wo sind Bedarfe? Welche Stadtraumtypen eignen sich besonders zur Integration von erneuerbaren Energien? Wo kann mit einer gezielten Dämm-Initiative ein Mangel an Wärmepotenzialen ausgeglichen werden? Wo sind Flächen für Energiezentralen und wie können der Umbau des Straßenraums mit dem Ausbau von Wärmenetzen und Baumrigolen zur Klimawandelanpassung zusammengedacht werden? Die Identifizierung energetischer Cluster hinsichtlich dieser Fragestellungen ermöglicht eine strategische Quartiersentwicklung aus den Grundsätzen der Energie in räumlicher und zeitlicher Perspek­tive.

Wie sich zeigt, geht es bei der Frage nach energieoptimierten urbanen Räumen in erster Linie nicht nur um Energiesysteme, sondern um Verhaltens- und Lebensweisen sowie einen gesunden Umgang mit dem Gebäudebestand im Alltag und in der Planung. Die vielseitigen Maßnahmen greifen in alle städtischen Fachgebiete. Bürger:innen und Unternehmen sind gleichermaßen am Wandel beteiligt. Dafür bedarf es neuer Formen der Kooperation und eines Narrativs zur Vermittlung des gemeinsamen Ziels und Bildes der energieoptimierten und klimaneutralen Stadt.

Wenn das gelingt, werden die Dimensionen der energieoptimierten Stadt durch verschiedene Bausteine im Stadtbild sichtbar. Mit Photovoltaik belegte Pergolas verschatten Spielplätze in heißen Sommern. Quartierspeicher werden zu sozia­len Treffpunkten. Büroflächen sowie Parkraum werden zu bezahlbarem Wohnraum und Industrieflächen werden multifunktional neu gedacht. Vor allem verändert sich aber auch unsere Bewegung. Mit kürzeren Wegen und einer besseren Anbindung sparen wir Zeit, durch Homeoffice wird der Alltag für viele Menschen flexibler. Während der Wohnraum pro Kopf gerechter verteilt wird, verwandelt sich der Straßenraum vor der Haustür in eine grüne Oase und mindert den Drang, zur Erholung aus der Stadt hinaus zu fahren.

Autor:innen: Christine von Raven ist Ingenieurin bei Transsolar KlimaEngineering in Stuttgart.
Christoph Walther leitet das Kompetenzfeld Erforschen und Verändern bei Urban Catalyst in Berlin. Gemeinsam erarbeiten sie zur Zeit mit ihren Teams eine Studie für die Stadt Stuttgart zur Gestaltung der klimaneutralen Stadt als Grundlage
für ein neues Stadtentwicklungskonzept
Foto: Transsolar

Autor:innen: Christine von Raven ist Ingenieurin bei Transsolar KlimaEngineering in Stuttgart.
Christoph Walther leitet das Kompetenzfeld Erforschen und Verändern bei Urban Catalyst in Berlin. Gemeinsam erarbeiten sie zur Zeit mit ihren Teams eine Studie für die Stadt Stuttgart zur Gestaltung der klimaneutralen Stadt als Grundlage
für ein neues Stadtentwicklungskonzept
Foto: Urban Catalyst